一种利用波浪能和温差能的海上种植平台及其工作方法与流程

本发明属于新型可再生能源技术和海洋装备领域，特别是一种利用波浪能和温差能的海上种植平台。

背景技术：

随着全球能源危机、温室效应和开采传统能源所带来的环境污染问题的加剧，海洋可再生能源的开发越来越受到重视。其中，波浪能由于其储量巨大受到广泛关注，目前已有大量形式各异的波浪能装置被研发出来，按照原理和结构可以分为摆式、浮力摆式、振荡水柱式、越浪式、鸭式、筏式、点吸收式、磁流体波浪能发电装置。其中漂浮式振荡水柱波浪能发电装置研制技术的应用较为广泛，在波浪入射波的作用下，气室内的水柱受激振荡，推动其上方的空气往复地通过涡轮机，将涡轮机的机械能转换为电能，但是此装置转换效率低，波浪能转换为电能的总效率为10%~30%，且建造费用昂贵。另一方面，海洋受太阳照射，把太阳辐射能转化为海洋热能。在热带和亚热带地区，表层海水保持在25~28摄氏度，几百米以下的深层海水温度稳定在4~7摄氏度，用上下两层不同温度的海水作热源和冷源，就可以利用它们的温度差发电。位于北回归线以南的中国南海是典型的热带海洋，太阳辐射强烈。南海的表层水温常年维持在25℃以上，而500~800米以下的深层水温则在5℃以下，两者间的水温差在20℃~24℃之间，温差能资源非常丰富。

此外，传统的波浪能发电装置功能单一，在海面风平浪静的时候，这些波浪能转换装置的发电效率较低，有的甚至不能够产生电力，大部分的装置闲置在海面上，增加了经济成本和维护费用。由此可见，波浪能装置的发展趋势应该是多种经营、综合利用，在满足发电需求的基础之上，可以研发出诸如具有植物培育等多重功能的新型装置，为人们的生产生活提供更加便捷的服务。近几年来，对于近岸区波能装置的优化设计和多功能开发利用的研究还不是特别的成熟，如何设计出高效、稳定并且成本较低的波能转换器成为了各国科研工作者的研究难题。有的学者提出了将种植平台和波能转换器结合在一起的设计想法，在岛礁或是沿海偏远地区安置波能发电的种植平台，可以有效解决附近居民的饮食需要，并且也在一定程度上促进了当地农业的发展，有着显著的经济效益。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是：克服传统发电装置能量转换效率不稳定、维护困难以及功能单一、波浪和海水资源得不到充分利用等不足，提供一种利用波浪能的海上种植平台，它能够同时具有发光指示和培育农作物的双重功能，不仅能够将波浪能转化为照明用的电能，而且创新性地设计出了一种利用不同深度的海水温差淡化海水，灌溉农作物的方法。

为了实现上述技术目的，本发明采取的具体技术方案是：

一种利用波浪能和温差能的海上种植平台，它包括漂浮平台，漂浮平台内设置汽轮机发电机构、海水循环淡化系统、蓄电池以及控制模块，漂浮平台底部连接锚泊系统，其中，

漂浮平台为多层结构，多层结构的漂浮平台从上到下依次分为指示灯层、植物生长层、土壤层、设备层和空气室层；

所述指示灯层上设有指示灯、照明灯以及亮度感应器；

植物生长层的侧壁上设有与大气连通的通气孔，设备层中设有与空气室层相连通的气道，所述气道末端通过所述通气孔与大气保持空气流通；

所述汽轮机发电机构设置在所述设备层中的气道内，包括：发电机和连接在发电机轴上的叶片；

所述海水循环淡化系统包括预埋在土壤层内下部的蒸汽管道，蒸汽管道上设有汽孔；设置在设备层中与所述蒸汽管道连通的的汽化室，汽化室内设有加热器；

还包括第一取水设备，用于将温度较高的表层海水吸取至所述汽化室内，包括第一管道、设置在第一管道中的第一水泵、设置在第一管道上靠近第一管道管口处的浮子；

预埋在土壤层中部的冷水排管以及第二取水设备，第二取水设备用于将温度较低的深层海水吸取至所述冷水排管中，包括第二管道、设置在第二管道中的第二水泵以及设置在第二管道上靠近第二管道管口处的重块；所述土壤层侧壁上设有供冷水排管排水的排水口；

所述汽化室内设有水量检测器和水温检测器；所述指示灯、照明灯、加热器、第一水泵、第二水泵、亮度感应器、水量检测器、温度传感器均与控制模块连接；

所述蓄电池与所述发电机电性连接，用于为指示灯、照明灯、加热器、第一水泵、第二水泵以及控制模块供电。

作为本发明利用波浪能和温差能的海上种植平台的进一步优选技术方案，所述水量检测器为安装在汽化室底部的重量传感器，所述水温检测器为设置在汽化室内侧侧壁上的温度传感器。

作为本发明利用波浪能和温差能的海上种植平台的进一步优选技术方案，所述冷水排管在土壤层中盘旋布置。

作为本发明利用波浪能和温差能的海上种植平台的进一步优选技术方案，所述气道包括主气道和至少两个次级气道，所述主气道与空气室层相连通，所述次级气道的气道末端与通气孔之间保持空气流通；每个次级气道内均设有一组所述汽轮机发电机构。

作为本发明利用波浪能和温差能的海上种植平台的进一步优选技术方案，所述指示灯层包括设置在植物生长层上部的透明顶盖，透明顶盖上部外侧设有指示灯，透明顶盖内侧设有照明灯。

作为本发明利用波浪能和温差能的海上种植平台的进一步优选技术方案，所述透明顶盖为钢化玻璃。

作为本发明利用波浪能和温差能的海上种植平台的进一步优选技术方案，所述浮子设置在距第一管道的进水口0.5米~1.5米之处；所述重块设置于距第二管道的进水口0.5米~1.5米处。

作为本发明利用波浪能和温差能的海上种植平台的进一步优选技术方案，所述控制模块为单片机。

本发明还公开了一种利用波浪能和温差能的海上种植平台的工作方法，当波浪传递到漂浮平台时，在锚泊系统的固定之下，漂浮平台受到波浪的作用之后达到了平衡状态，当波浪上升时将空气室层中的空气顶上去，被压缩的空气穿过主气道进入次级气道，并驱动与发电机轴相连的叶片旋转，带动发电机发电，当波浪落下时，空气室层内形成负压，使大气中的空气从通气孔中吸入次级气道，并驱动与发电机相连的叶片反向旋转，使发电机发电，实现双向发电；

在装置投入使用之前，控制模块内预先设定好汽化室内水的重量，当汽化室内水的重量超过预设值，水量检测器将信号输入给控制模块，此时控制模块执行停止抽入热水的命令，第一水泵关闭；

当汽化室内水的重量小于预设值，控制模块执行开启抽入热水的命令，第一水泵打开，当水温检测器测得水温低于50℃时，水温检测器将信号输入给控制模块，控制模块再将命令传递到输出模块，输出模块将命令输出到逆变器，将蓄电池中的直流负载转化为交流负载，为加热器提供电力；当水温高于50℃低于70℃时，蓄电池和发电机产生的交流负载同时提供电力；当水温高于70℃时，蓄电池停止输电，只有发电机产生的交流负载工作；

控制模块内预先设置第二水泵的抽水频率和控制抽水量，抽上来的冷水进入冷水排管中后，由土壤层侧壁上的排水口流入大海中；

加热器将水烧至沸腾变成水蒸汽上升进入蒸汽通道，由于蒸汽通道管壁上有散气孔，当热的蒸汽从散气孔进入土壤并遇到温度较低的冷水排管时，蒸汽在冷水管壁上液化为冷凝水，冷凝水流入土壤，实现了海水淡化和灌溉农作用的目的；在夜晚光照不足时，亮度感应器触发控制模块执行打开指示灯的命令，使得整套装置在夜晚也能够被来往的船只识别。

作为本发明方法的进一步改进方案，当波浪能装置出现异常情况时，报警模块触发报警器。

本发明利用波浪能和温差能的海上种植平台的有益效果是：

本发明适用于波浪能资源相对丰富的海域，采用带有空腔的漂浮平台和锚固系统设计，使得波浪能装置能够适应较深的水深；其发电原理简单，形式稳定；发电系统安装于浮体之内，安全性较高，且提出了一种成本较低、方便快捷的海水淡化方法，为土壤培育植物的生长提供良好的光照和水分条件。

附图说明

图1是本发明平台主体结构示意图；

图2是本发明平台发电系统侧视图；

图3是本发明平台电力控制模块；

图4是本发明平台循环海水淡化系统示意图；

图中，1—漂浮平台，2—植物生长层，3—土壤层，4—设备层，5—空气室层，6—系留点，7—指示灯，8—通气孔，9—主气道，10—次级气道，11—锚链，12—海底，13—照明灯，14—发电机，15—叶片，16—气室壁，17—自由水面，18—亮度感应器，19—控制模块，20—重量传感器，21—键盘控制模块，22—温度传感器，23—报警模块，24—显示模块，25—交流负载，27—输出模块，28—逆变器，29—蓄电池，30—直流负载，31—重块，32—冷水入口，33—浮子，34—热水入口，35—第一管道，36—第二管道，37—第二水泵，38—第一水泵，39—加热器，40—汽化室，41—蒸汽通道，42—散汽孔，43—冷水排管，44—冷水出口。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。

实施例1：

如图1所示，一种利用波浪能和温差能的海上种植平台，漂浮平台1两侧外壁上安装了通气孔8，其顶部安装了指示灯7。土壤层3中埋设了次级气道10，设备层4通过主气道9与空气室层5相连接，空气室层5内波浪的起伏导致了气体的体积变化。此外系留点6分布在漂浮平台1底面，锚链11的上端固定在了系留点6，下端则通过抓力锚固定于海底12。

如图2所示，亮度感应器18（型号TSL2560）位于漂浮平台1的顶部并且靠近指示灯7，亮度感应器18用于监测植物生长层2的光照，如果光照不足，进行人工光照，此时照明灯13的亮度会增加，以满足植物光合作用所需的光照，同时，指示灯7开启，指示种植平台所处的位置。

当自由水面17上下起伏时，空气室层5内的水柱受激振荡，推动空气室层5上方的空气往复地通过叶片15，将振荡水柱的能量转换变成叶片15的机械能，从而驱动发电机14发电。

如图3所示，控制模块19为单片机（型号AT89C51），其分别与重量传感器20、键盘控制模块21、温度传感器22、亮度感应器18、报警模块23、显示模块24和输出模块27控制连接。

如图4所示，第一管道35进水口安装于浮子33下方1米处，浮子33可随水面自由上下运动，第一水泵38将温度较高的海水抽入汽化室40内，加热器39将水加热至预设温度变成水蒸汽上升进入蒸汽通道41，且重量传感器20与控制模块19连通，可随时将加热器39内的剩余水量反馈至控制模块中。

第二管道36进水口安装于重块31下方1米处，重块31位于水平面以下20-25米处，且第二管道36中的第二水泵37与控制模块19控制连接，可控制第二水泵37的抽水频率和抽水量；抽上来的冷水进入冷水排管43中，由冷水出口44重新流入大海中。

本实施例一种利用波浪能和温差能的海上种植平台的工作方法：

实际使用时，漂浮平台1处于漂浮状态，其上部表面高于自由水面17。当波浪传递到漂浮平台1时，在锚链11的固定之下，漂浮平台1受到波浪的作用之后达到了平衡状态。当波浪传递到漂浮平台时，在锚泊系统的固定之下，漂浮平台1受到波浪的作用之后达到了平衡状态，当波浪上升时将空气室层5中的空气顶上去，被压缩的空气穿过主气道9进入次级气道10，并驱动与发电机14轴相连的叶片旋转，带动发电机14发电，当波浪落下时，空气室层5内形成负压，使大气中的空气从通气孔8中吸入次级气道10，并驱动与发电机14相连的叶片反向旋转，使发电机14发电，实现双向发电；

平台循环海水淡化系统：第一管道35进水口安装于浮子33下方1米处，浮子33可随水面自由上下运动，第一水泵38将温度较高的海水抽入汽化室40内，加热器39将泵入的表层海水加热至预设温度后汽化变成水蒸汽上升进入蒸汽通道41，且重量传感器20和温度传感器22与控制模块19连通。在装置投入使用之前，键盘控制模块21预先设定好汽化室40内水的重量，当汽化室40内水的重量超过预设值，重量传感器20将信号输入给控制模块，此时控制模块执行停止抽入热水的命令，第一水泵38关闭；

当汽化室40内水的重量小于预设值，控制模块执行开启抽入热水的命令，第一水泵38打开，当温度传感器22测得水温低于50℃时，温度传感器22将信号输入给控制模块，控制模块再将命令传递到输出模块27，输出模块27将命令输出到逆变器28，将蓄电池29中的直流负载30转化为交流负载25，为加热器39提供电力；当水温高于50℃低于70℃时，蓄电池29和发电机14产生的交流负载25同时提供电力；当水温高于70℃时，蓄电池29停止输电，只有发电机14产生的交流负载25工作；

第二管道36进水口安装于重块31下方1米处，重块31位于水平面以下20-25米处，且第二管道36中的第二水泵37与控制模块19连接，键盘控制模块21预先设置第二水泵37的抽水频率和控制抽水量，抽上来的冷水进入冷水排管43中，由冷水出口44重新流入大海中；

加热器39将水烧至沸腾变成水蒸汽上升进入蒸汽通道41，由于蒸汽通道41管壁上有散气孔42，当热的蒸汽从散气孔42进入土壤并遇到温度较低的冷水排管时，蒸汽在冷水管壁上液化为冷凝水，冷凝水流入土壤，实现了海水淡化和灌溉农作用的目的；

当波浪能装置出现异常情况时，报警模块23触发报警器；

在夜晚光照不足时，亮度感应器18触发控制模块执行打开指示灯7的命令，使得整套装置在夜晚也能够被来往的船只识别。

尽管上面对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的。